鄭曉思，符斯列

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

半導(dǎo)體照明已深入生活的方方面面. 21世紀(jì)初日本學(xué)者成功研制出高亮度的藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)，該成果獲得了2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1]. 其中以GaN為代表的寬帶隙半導(dǎo)體由于具有禁帶寬度大，電子漂移飽和速度大，導(dǎo)熱性能好，化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，常被用于制作藍(lán)色發(fā)光器件[2]. 高亮度GaN基藍(lán)光LED具有多量子阱結(jié)構(gòu)(Multiple quantum well structure, MQWs)[3]，可以作為研究MQWs的樣品.

C-V測(cè)量法是分析測(cè)量半導(dǎo)體性能的基本方法，也是高校實(shí)驗(yàn)課程中重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[4]. 本文通過C-V法測(cè)量GaN基藍(lán)光LED的InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)，通過樣品的C-V曲線及對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)濃度分布曲線，分析GaN基藍(lán)光LED多量子阱結(jié)構(gòu)在室溫及低溫下的系列參量，并討論其隨溫度變化的趨勢(shì). 該實(shí)驗(yàn)的目的明確，操作簡單，能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步理解和應(yīng)用C-V測(cè)量法，拓展GaN基量子阱結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體物理的相關(guān)知識(shí).

1 實(shí)驗(yàn)原理

在半導(dǎo)體發(fā)光器件中，PN結(jié)是發(fā)光最基本的結(jié)構(gòu)單元. 由同種材料制成的PN結(jié)為同質(zhì)結(jié)，由不同種材料制成的PN結(jié)為異質(zhì)結(jié)[1]. 當(dāng)采用不同帶隙和摻雜方式時(shí)，比如：窄帶隙夾在2個(gè)寬帶隙的半導(dǎo)體之間，形成單量子阱結(jié)構(gòu)[5]. 若交替寬窄帶隙，并使勢(shì)壘的寬度足夠薄時(shí)，將構(gòu)成超晶格結(jié)構(gòu)，此時(shí)電子能夠從1個(gè)量子阱隧穿到相鄰量子阱. 勢(shì)壘較寬時(shí)，將構(gòu)成多量子阱結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下，電子無法從1個(gè)量子阱隧穿到相鄰量子阱，即量子阱之間不耦合. 多量子阱結(jié)構(gòu)可以提高光的發(fā)射效率，在這種結(jié)構(gòu)下，正向電流注入PN結(jié)時(shí)，電子與空穴復(fù)合并產(chǎn)生光子輻射，輻射出的光子波長或顏色取決于多量子阱結(jié)構(gòu)中阱層的禁帶寬度. 部分Ⅲ-V族氮化物具有直接帶隙和寬禁帶的特點(diǎn)，比如GaN，常被用于制造性能優(yōu)異的高效率藍(lán)光器件[6-7].

對(duì)于具有單量子阱結(jié)構(gòu)的樣品，室溫下的C-V曲線存在平臺(tái)，其相應(yīng)的載流子濃度分布曲線在量子阱位置有載流子的積累峰[5，8]. 這是因?yàn)楫?dāng)2種不同的半導(dǎo)體材料相間排列時(shí)，由于界面兩側(cè)的空穴與電子存在濃度差，載流子將發(fā)生移動(dòng)，最終不移動(dòng)的載流子在界面附近形成空間電荷區(qū). 空間電荷區(qū)形成了自建電場，并令PN結(jié)的兩端產(chǎn)生接觸電勢(shì)差VD，形成電子或空穴的勢(shì)壘qVD. 由于空間電荷區(qū)中存在較強(qiáng)的自建電場，其中的載流子基本上被驅(qū)趕出去，即被耗盡，因此空間電荷區(qū)可近似為耗盡層. 量子阱兩側(cè)的載流子將向阱內(nèi)轉(zhuǎn)移，在阱內(nèi)形成載流子積累，阱外則形成耗盡區(qū). 當(dāng)反向偏壓增大時(shí)，覆蓋層中的載流子將不斷地向量子阱中轉(zhuǎn)移，即耗盡區(qū)將隨著偏壓的增大而向內(nèi)擴(kuò)展，直至量子阱的邊緣. 因此在量子阱內(nèi)，載流子濃度最高，將在雜質(zhì)濃度分布曲線上體現(xiàn)為峰值[9-12]. 當(dāng)反向偏壓持續(xù)增大時(shí)，耗盡區(qū)邊緣處載流子耗盡較少，因此電壓所引起的電荷變化主要來自阱中載流子濃度的變化. 此時(shí)的樣品電容就相當(dāng)于由量子阱與樣品表面層所構(gòu)成的平行板電容器的電容，而電容的大小主要由量子阱的厚度所決定，因此在一定電壓范圍內(nèi)的電容變化很小，在C-V曲線上體現(xiàn)為平臺(tái).C-V曲線中的“平臺(tái)”如圖1所示，對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)濃度分布曲線如圖2所示.

圖1 C-V曲線中的“平臺(tái)”

圖2 雜質(zhì)濃度分布曲線

若僅考慮縱向分布，PN結(jié)空間電荷區(qū)域的電勢(shì)與電荷關(guān)系可用泊松方程表示為[4]

(1)

其中,ε0和εr分別為真空電容率和材料的相對(duì)電容率，ρ(x)和V(x)為空間電荷區(qū)凈電荷密度和電勢(shì). PN結(jié)勢(shì)壘電容C滿足：

(2)

其中，l為PN結(jié)寬，S為PN結(jié)的截面積，其雜質(zhì)濃度N隨結(jié)寬的分布滿足：

(3)

其中，e為元電荷量，N為約化雜質(zhì)濃度. 當(dāng)PN結(jié)為一側(cè)是高摻雜濃度，另一側(cè)是低摻雜濃度的突變結(jié)時(shí)，N即為低摻雜濃度一側(cè)的雜質(zhì)濃度，而結(jié)寬也主要集中在低摻雜濃度一側(cè)[13].

實(shí)驗(yàn)樣品為常見的GaN基藍(lán)光LED，具有5個(gè)周期的InGaN/GaN多量子阱，其PN結(jié)可近似為突變結(jié). 當(dāng)多量子阱薄層線度與電子的德布羅意波長可比擬，且勢(shì)壘足夠厚時(shí)，可近似認(rèn)為相鄰量子阱無耦合. 因此本文將實(shí)驗(yàn)樣品近似為由多個(gè)獨(dú)立的量子阱組合而成的多量子阱結(jié)構(gòu). 在分析樣品雜質(zhì)濃度分布時(shí)，式(1)～(3)也適用.

樣品的中心波長λ=460～465 nm，工作電壓V=3.0～3.2 V，結(jié)面積S=6.25×10-4cm2，GaN的相對(duì)電容率εr=8.9，真空電容率ε0=8.854 pF/m，其外延結(jié)構(gòu)如圖3所示[14]. 首先在藍(lán)寶石(Al2O3)襯底上生長1層GaN緩沖層，目的是減少外延層與藍(lán)寶石襯底晶格失配帶來的的影響. 然后依次生長1層N型AlGaN電子阻擋層，5個(gè)周期具有平整界面的InGaN/GaN多量子阱，該多量子阱結(jié)構(gòu)作為LED的有源區(qū)，電子與空穴將被限制在此進(jìn)行復(fù)合，并實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)光. 其中窄禁帶InGaN為阱層，寬禁帶GaN為壘層. 之后在多量子阱層上生長1層P+型AlGaN電子阻擋層后，繼續(xù)生長1層P+型GaN. 其中，“+”號(hào)表示該層的濃度較高. 此外，在N區(qū)和P區(qū)上分別蒸鍍金屬層以形成歐姆接觸，作為注入電子和空穴的電極.

圖3 樣品結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置采用CV-5000型電容電壓特性測(cè)試儀，用于測(cè)試PN結(jié)的勢(shì)壘電容在不同偏壓下的電容量，其偏壓量程為0～35 V，可換向. 電容測(cè)量范圍為1.000～5 000.0 pF. 實(shí)驗(yàn)的液氮瓶和標(biāo)準(zhǔn)Pt 100 Ω溫度探頭，分別用于改變樣品的溫度和檢測(cè)樣品的溫度. 實(shí)驗(yàn)時(shí)，將樣品的2根引腳與漆包線焊在一起，漆包線的兩端接入測(cè)量儀. 將樣品和溫度探頭靠緊置于紫銅做成的圓柱形恒溫器內(nèi)，確保溫度探頭能真實(shí)反映樣品的溫度[15]. 具體裝置如圖4所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 室溫C-V測(cè)量

將樣品置于T=291 K的室溫環(huán)境，外加偏壓設(shè)置為+2.5～-22 V，偏壓變化的步進(jìn)值為0.1 V. 由計(jì)算機(jī)控制測(cè)量過程與數(shù)據(jù)處理.

實(shí)驗(yàn)測(cè)得樣品的C-V曲線與雜質(zhì)濃度分布如圖5和圖6所示. 圖5表明，GaN基藍(lán)光LED的PN結(jié)勢(shì)壘電容雖然隨所加負(fù)偏壓的增大而減小，但在一定電壓范圍內(nèi)電容變化很小，共在C-V曲線上呈現(xiàn)了5個(gè)平臺(tái). 圖6表明，T=291 K樣品的雜質(zhì)濃度分布曲線呈現(xiàn)5個(gè)峰位.

根據(jù)圖6計(jì)算得到多量子阱結(jié)構(gòu)參量如表1所示. 其中，采用雜質(zhì)濃度峰值的半高全寬定義量子阱寬，采用相鄰2個(gè)雜質(zhì)濃度峰值的半高全寬間隔定義壘寬， 如圖6所示. 其中第1個(gè)量子阱峰值N阱1=6.43×1018cm-3，峰值對(duì)應(yīng)的結(jié)寬l阱=44.61 nm，該峰一半峰值的左、右端所對(duì)應(yīng)的位置分別為l11=43.786 nm，l12=45.622 nm，由此計(jì)算出第1個(gè)量子阱寬Δl阱1=l12-l11=1.84 nm；第2個(gè)量子阱一半峰值的左端所對(duì)應(yīng)的位置為l21=58.541 nm，則第1個(gè)量子壘寬Δl壘1=l21-l12=12.92 nm. 同理得其他量子阱的阱寬及壘寬數(shù)值. 根據(jù)表1計(jì)算得到室溫下MQWs結(jié)構(gòu)中InGaN阱層平均雜質(zhì)濃度為7.12×1018cm-3，平均阱寬為2.00 nm；GaN壘層平均雜質(zhì)濃度為0.82×1018cm-3，平均壘寬為12.32 nm. 計(jì)算所得MQWs的結(jié)構(gòu)參量與文獻(xiàn)[14]一致.

圖5 291 K時(shí)樣品的C-V曲線

圖6 291 K時(shí)樣品的雜質(zhì)濃度分布

表1 室溫下InGaN/GaN MQWs的結(jié)構(gòu)參量

2.2 變溫C-V測(cè)量

通過沉降法將LED樣品緩慢地放入液氮杜瓦瓶中，改變樣品的溫度. 實(shí)驗(yàn)選取的溫度分別為T=223，173，98 K，變溫下樣品的C-V曲線如圖7所示. 圖7表明，隨著溫度降低，同一偏壓下的勢(shì)壘電容雖然減小，但是C-V曲線仍然呈現(xiàn)出5個(gè)平臺(tái)的特征，并且溫度越低，平臺(tái)特征越明顯[8]. 例如98 K下的C-V曲線與298 K下的C-V曲線比較，前者平臺(tái)更為明顯.

圖7 變溫樣品的C-V曲線

變溫樣品的雜質(zhì)濃度分布曲線如圖8所示. 根據(jù)圖8計(jì)算得到多量子阱結(jié)構(gòu)參量隨溫度的變化如表2所示.

圖8 變溫樣品的雜質(zhì)濃度分布曲線

表2 低溫下InGaN/GaN的MQWs系列參量

圖8顯示，隨著溫度的降低，峰值增大，這表明InGaN阱層平均雜質(zhì)濃度隨著溫度的降低而增大，從T=291 K的7.12×1018cm-3增大到T=98 K的10.28×1018cm-3. 這是因?yàn)殡S著溫度的降低，載流子的運(yùn)動(dòng)更有序，在同一反向電壓下，載流子更容易克服內(nèi)建電場做定向移動(dòng)，即量子阱兩側(cè)的載流子向阱內(nèi)的轉(zhuǎn)移增加，因此阱中的雜質(zhì)濃度增大.

表2顯示，GaN壘層平均雜質(zhì)濃度隨著溫度的降低而減小，從0.82×1018cm-3減小到0.42×1018cm-3. 這符合電荷守恒定律. 同時(shí)表2顯示，隨著溫度的降低，InGaN阱層寬度變窄，從2.00 nm減小到1.24 nm. 這是因?yàn)樵谕环聪螂妷合拢蜏厥馆d流子運(yùn)動(dòng)更有序，空間電荷區(qū)中的內(nèi)建電場增強(qiáng)，則相應(yīng)的空間電荷增多，因而空間電荷區(qū)展寬，阱層寬度變窄；而GaN壘層寬度變寬，從12.32 nm增大到14.80 nm.

3 結(jié) 論

采用C-V法測(cè)量了GaN基高亮度藍(lán)光LED的InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu). 通過樣品的C-V曲線以及對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)濃度分布曲線，分析了GaN基藍(lán)光LED多量子阱結(jié)構(gòu)在室溫以及低溫下的系列參量. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)樣品為5個(gè)周期InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)，室溫下平均InGaN阱層寬度為2.00 nm，平均阱層雜質(zhì)濃度為7.12×1018cm-3，平均GaN壘層寬度為12.32 nm，平均壘層雜質(zhì)濃度為0.82×1018cm-3. 隨著溫度的降低，C-V曲線的平臺(tái)特征更加顯著，且InGaN/GaN多量子阱層雜質(zhì)濃度增大，壘層雜質(zhì)濃度減小，而且InGaN阱層寬度變窄，GaN壘層寬度變寬. 該實(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)方法在現(xiàn)代新型半導(dǎo)體量子器件診斷中的應(yīng)用. “新器件”與“舊方法”的結(jié)合，既讓學(xué)生們意識(shí)到當(dāng)代科技的奇妙與魅力，也使他們感受到物理實(shí)驗(yàn)方法在科技進(jìn)步中的巨大作用.